5. Теплові явища у процесі різання

 

5.1. Джерела утворення тепла та його розподіл

 

У процесі різання теплові явища грають значної ролі. Саме вони визначають температуру в зоні різання, яка надає прямий вплив на характер утворення стружки, нарост, усадку стружки, сили різання та мікро-структуру поверхневого шару. Ще більш істотно впливає температура різання θ на інтенсивність затуплення інструменту і період його стійкості.

У процесі різання металів механічна робота, що витрачається на процес різання, практично повністю перетворюється на теплоту. Тому загальну кількість тепла, що утворюється при різанні, можна визначити з виразу

 

де P_z – дотична складова сили різання, Н; V – швидкість різання, м/хв; Е – механічний еквівалент теплоти, що дорівнює 4,19Дж/кал.

Робота, що витрачається на різання, складається з трьох частин: роботи деформування шару, що зрізається, роботи тертя на передній поверхні і роботи тертя на задній поверхні. Отже, і загальну кількість тепла, що утворюється при різанні, можна визначити за формулою:

Q = Q_д + Q_т.п + Q_т.з,

де Q_д – тепло деформацій, що утворюється у зоні зрушень на умовній площині зрушень; Q_т.п – тепло тертя в зоні контакту стружки з передньою поверхнею інструменту; Q_т.з – тепло тертя в зоні контакту поверхні різання із задньою поверхнею різця.

Тепло, що утворилося, поширюється з зон теплоутворення до більш холодних областей, розподіляючись між стружкою (Q_с), деталлю (Q_дет) та інструментом (Q_і). Частина тепла йде у середовище (Q_сер). Витрата тепла, що утворилося при різанні, описується виразом:

Q = Q_с + Q_дет + Q_і + Q_сер. 

При різанні спостерігається складне переплетення теплових потоків, оскільки теплота від кожного із трьох основних джерел, що діють незалежно один від іншого, може розподілятися між всіма тілами, що беруть участь у різанні. Цю схему можна значно спростити (рис. 5.1), увівши поняття підсумкових теплових потоків, що проходять через контактні поверхні інструмента.

1 – частка теплоти деформації, що йде у деталь; 2 – частка теплоти деформації, що йде у стружку; 3 – кількість теплоти, що виникає в результаті тертя між стружкою і передньою поверхнею інструмента; 4 – підсумковий потік теплоти, що виникає в результаті теплообміну на майданчику контакту  прирізцевої сторони стружки з передньою поверхнею інструменту; 5 – підсумковий потік теплоти, що виникає в результаті теплообміну на майданчику контакту поверхні різання із задньою поверхнею інструменту; 6 – кількість теплоти, що виникає в результаті тертя між заготовкую та задньою поверхнею інструменту

Рисунок 5.1 – Схеми руху теплових потоків при різанні без охолодження

Знаючи кількість теплоти, що виділяється у процесі різання і розповсюджується між стружкою, оброблюваною заготовкою, інструментом і середовищем, можна записати рівняння теплового балансу при різанні.

Q_д + Q_т.п + Q_т.з = Q_с + Q_дет + Q_і + Q_сер. 

Експерименти показують, що при обробленні звичайних конструкційних сталей з невеликою швидкістю різання (до 30...40 м/хв.) відносна кількість теплоти становить: Q_c = 60...70%, Q_дет = 30...40%, Q_i = 3%, Q_cер = 1...2% (рис.5.2). Установлено, що чим нижче теплопровідність оброблюваного матеріалу, тим більше теплоти йде в інструмент. Використання охолоджувальних технологічних середовищ дозволяє значно підвищити Q_cер у загальному тепловому балансі. При цьому відповідно зменшуються Q_c, Q_i, Q_дет. При збільшенні швидкості різання значно зростає відносна кількість теплоти, що залишається у стружці.

а                                                    б

Рисунок 5.2 – Тепловий баланс: а) при обточуванні сталі 45 різцем із Т15К6; б) сплаву ВТ3–1 різцем із ВК8

Зменшення долі тепла, що переходить у заготовку при збільшенні швидкості різання, викликано зміною співвідношення між швидкістю різання і швидкістю поширення тепла із зони деформації. Із зони теплотворення (зони первинної пластичної деформації) в заготовку тече тепловий потік 1 (див. рис. 5.1). Швидкість поширення тепла залежить від градієнта температур на площині зсуву та у заготовці і теплопровідності оброблюваного матеріалу. Якщо швидкість різання, тобто швидкість, з якої ріжуче лезо інструмента перетинає тепловий потік, мала, то тепло від зони зсуву безперешкодно перейде в заготовку. При збільшенні швидкості різання лезо інструмента усе швидше перетинає тепловий потік, і тому в заготовку встигає перейти менша кількість тепла і все більша його кількість залишається у стружці. Зменшення долі тепла, що йде в інструмент, при збільшенні швидкості різання пов'язане зі зменшенням ширини площадки контакту на передній поверхні, через яку тепло зі стружки переходить в інструмент. Незважаючи на те що доля тепла, що йде в інструмент, дуже мала, інструмент є нерухомим тілом і відносно невеликою частиною тепла, діючою тривалий час, прогрівається до високої температури. Тому середня температура на передній поверхні інструмента у декілька разів перевершує середню температуру стружки.

Зі збільшенням швидкості різання значно зростає відносна кількість тепла, що переходе в стружку. При швидкості V = 400...500 м/хв теплота розподіляється так: Q_c @ 97...98%, а Q_і @ 1%.

 

5.2. Температура різання

 

Знаючи величину і напрямок підсумкових теплових потоків, можна розрахунковим шляхом знайти закони розподілу температури на контактних майданчиках (рис. 5.3).

Рисунок 5.3 – Температурні поля у стружці, заготовці і різці  при обточуванні сталі ШХ15 різцем із твердого сплаву Т14К8 (V = 80 м/хв., S = 0,5 мм/об, t = 4,1 мм)

З рисунка видно, що різні місця стружки нагріті нерівномірно. Найбільша кількість тепла концентрується в тонких шарах стружки, що прилягають до передньої поверхні. Тут температура набагато вище температури в зоні зсуву. По мірі віддалення від передньої поверхні різання температура шарів стружки різко падає. У прирізцьовому шарі максимальна температура спостерігається в середині довжини площадки контакту. У цій області температура зменшується як по напряму до ріжучій кромки, так і по напряму до точки відриву стружки від передньої поверхні. Температура оброблюваного матеріалу, що лежить нижче поверхні різання, значно менше температури в стружці і на площині здвигу.

Ріжучий клин також нагрівається нерівномірно. Сильніше всього розігріта ділянка передньої поверхні, що розташована в середині довжини площадки контакту, тоді як у вершині рівень температури менше. З віддаленням від передньої поверхні температура в ріжучім клині змінюється значно менше, ніж температура стружки.

Рівень і розподіл температури в значній мірі визначаються теплофізичними характеристиками оброблюваного та інструментального матеріалу. Так, при підвищенні коефіцієнта теплопровідності інструментального матеріалу температура на передній поверхні зменшується, а на задній – збільшується. При підвищенні коефіцієнта теплопровідності оброблюваного матеріалу температура знижується. При роботі з малими перетинами зрізу інтенсифікується тепловий потік зі сторони задньої поверхні, а температура на задній поверхні істотно зростає.

Температура, що виникає в зоні різання, може викликати вплив на процес різання із-за зміни матеріалу інструменту, оброблюваного матеріалу та умов взаємодії інструменту та оброблюваного матеріалу на контактних площадках.

У тих випадках, коли немає необхідності у вивченні законів розподілу температур на контактних майданчиках або в тілі інструменту та деталі, найбільш зручним показником теплової напруженості процесу різання є середня температура різання на всій поверхні контакту інструменту зі стружкою і деталлю.

В 1935 році М.Ф.Семко сформулював положення про «існування таких температур, в інтервалах яких оброблюваність металу є найкращою». В 1936 році Рейхель сформулював принцип, згідно з яким певним періодам стійкості для заданої пари інструмент – деталь відповідає та сама температура різання, яка не залежить від комбінації елементів режиму різання. Недолік зазначеного принципу полягає в тому, що фізичний параметр (температура різання) зіставляється з часом роботи інструменту, який не пов'язаний з умовами тертя і рядом інших процесів, що протікають на контактних майданчиках.

Рисунок 5.4 – Оптимальна температура різання, оптимальна швидкість та довжина шляху різання (ресурс)

У 1961 році А.Д.Макаров дійшов висновку, що сталість температури різання слід пов'язувати не з довільно вибраним періодом стійкості, а з точками, що характеризують мінімальну відносну інтенсивність зношування, тобто найбільшу довжину шляху різання ріжучого інструменту до досягнення їм вибраного критерію зношування (ресурсом ріжучого інструменту L). Враховуючи, що температура контактних поверхонь безпосередньо впливає на інтенсивність різних механізмів зношування, він сформулював положення, що оптимальним швидкостям різання (для заданого матеріалу ріжучої частини інструменту) при різних комбінаціях швидкості, подачі і глибини різання відповідає постійна температура в зоні різання (оптимальна температура різання) (рис. 5.4).

З цього положення випливає низка важливих висновків.

1. Для інструментів з будь-якою комбінацією геометричних параметрів ріжучої частини (α, γ, φ, φ₁, λ, r та ін.) точкам мінімуму кривих, що виражають залежність інтенсивності зношування від швидкості різання, відповідає одна і та ж оптимальна температура різання, хоча рівень оптимальних швидкостей різання може суттєво коливатися.

2. Зміна діаметра оброблюваної поверхні при точінні і діаметра отвору при розточуванні призводить до істотної зміни рівня оптимальних швидкостей різання, в той час як оптимальна температура різання залишається постійною.

3. Зміна твердості і структури сталі призводить до істотної зміни рівня оптимальних швидкостей різання, яким, однак, відповідає одна і та ж оптимальна температура.

4. При обробці металів без охолодження і з охолодженням різними середовищами найменша інтенсивність зношування спостерігається при одній і тій же оптимальній температурі різання.

У 1979 році А.Д.Макаров запатентовав спосіб визначення оптимальної швидкості різання згідно якого при обробці вуглецевих, легованих і жароміцних сталей твердосплавним інструментом оптимальною температурою різання була визначена температура A_c3 структурно-фазового перетворення (α → γ), а оптимальною швидкістю різання визначалась швидкість різання з максимальною довжиною шляху різання (ресурсом) ріжучого інструменту (див. рис.5.4).

На ресурс ріжучого інструменту в першу чергу впливає теплостійкість інструментального матеріалу із якого вони виготовлені. Так інструменти із швидкоріжучої сталі, яка має теплостійкість у межах 590…720°С не можуть мати оптимальну температуру різання більше цих значень. Теж саме стосується твердосплавних інструментальних матеріалів групи ТТК з теплостійкістю 750°С, групи ВК з теплостійкістю 800…850°С, групи ТК з теплостійкістю 850…900°С. Кубічний нітрид бору різних модифікацій має теплостійкість від 800 до 1500°С, а відповідні марки мінералокераміки від 1300 до 1800°С.

Початкова структура оброблюваного матеріалу суттєво впливає на ресурс ріжучого інструменту. Виявлені матеріали схильні і не схильні до наростоутворення, яке максимально виявляється при температурах різання приблизно 300…350°С (що відповідають температурам відпускної крихкості оброблюваного матеріалу першого роду).

Існують певні температурні інтервали відпуску, у яких знижується ударна в'язкість. Зниження ударної в'язкості при температурах відпуску називається відпускною крихкістю.

Відпускна крихкість І роду (незворотна) спостерігається в температурному інтервалі середнього відпуску (250...400°С) у всіх конструкційних сталей. Її пов'язують з нерівномірним виділенням карбідів з мартенситу за межами зерен.

Відпускна крихкість II роду (оборотна) проявляється при температурі 500...550°С в поліпшених сталях. Ймовірна причина – накопичення фосфору та інших елементів по межах зерен при повільному охолодженні.

Якщо зі зміною параметрів обробки змінюється ресурс ріжучого інструменту, то можна визначити як оптимальні значення температур різання, які відповідають піковим найбільшим значенням ресурсу, так і неоптимальні значення температур різання, які відповідають найменшим значенням ресурсу різального інструменту при встановлених інструментальних та оброблюваних матеріалах (табл. 5.1).

 

Таблиця 5.1 – Значення оптимальних і неоптимальних температур різання (°С)

Інструментальний матеріал	Оброблюваний матеріал
	Мартенситні сталі	Трооститні, сорбітні леговані сталі	Перлітні сталі
Значення оптимальних температур різання
Надтверді матеріали та мінералокераміка	α-γ, 525, 330, ABC	α-γ, 525, ABC	α-γ, ABC
Тверді сплави	525, 330, α-γ	525, α-γ	α-γ
Швидкоріжучі сталі	330, 525	525	–
Значення неоптимальних температур різання
Надтверді матеріали та мінералокеміка	до 200, 400, 727	до 200, 727	до 200
	понад 800…1500 (КНБ), понад 1300…1800 (МК)
Тверді сплави	до 200, 400, 727	до 200, 727	до 200
	понад 750 (ТТК), 800…850 (ВК), 850…900 (ТК)
Швидкоріжучі сталі	до 200, 400	до 200	до 200
	понад 590…720

               У цій таблиці під позначкою «α-γ» надані значення температур A_c3 структурно-фазового переходу для певного оброблюваного матеріалу, а під позначкою «ABC» температура плавлення цього матеріалу. Після літер «понад» надані значення температур теплостійкості інструментальних матеріалів.

5.3. Вплив на температуру різних факторів процесу різання

 

Оцінюючи вплив факторів на температуру різання, слід враховувати зміну умов підведення та відведення теплоти в цій зоні. На температуру різання впливають тіж самі чинники, як і на зміну теплового балансу.

Вплив фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу. На сили різання, а отже, на роботу різання і кількість теплоти, що виділяється, а також на умови тепловідведення впливають фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу. На температуру різання вони впливають так само, як і на складову сили різання P_z, тобто є тенденція до збільшення Θ з підвищенням міцності, твердості і пластичності оброблюваного матеріалу. Великий вплив на температуру різання надає теплопровідність оброблюваного матеріалу і характер його мікроструктури. Чим вище теплопровідність оброблюваного матеріалу, тим нижче Θ, так як відведення теплоти від місця її виділення в стружку і в деталь більш інтенсивний. Крім того, при обробці сталей зі структурою зернистого перліту сила і температура різання значно вище, ніж при обробці сталей зі структурою пластинчастого перліту. Це пояснюється тим, що пластичність структури зернистого перліту набагато вища, ніж у пластинчастого перліту.

В даний час досить широко застосовуються жароміцні, нержавіючі та інші важкооброблювані сталі з високим вмістом таких легуючих елементів, як Cr, Ni, W, Mn і т. д. Ці сталі мають аустенітну структуру і відрізняються низькою теплопровідністю . При обробці таких сталей температура різання значно вища, ніж при обробці звичайних сталей перлітного класу. Ще менше теплопровідність титанових сплавів, а тому Θ при обробці їх дуже висока.

Вплив швидкості різання. Зі збільшенням швидкості різання зростає кількість теплоти, що виділяється в зоні різання, а також температура нагрівання деталі, стружки та інструменту. Однак зростання температури в зоні різання відстає від зростання швидкості різання. Це відставання особливо посилюється в зоні високих швидкостей, що видно на окремих ділянках кривої, представленої на  рис.  5.5.

Рисунок 5.5 – Залежність температури від швидкості різання

Температура в зоні різання при важких умовах роботи може досягати 1000...1100°С. Зі збільшенням V росте потужність різання і, отже, кількість виділеної теплоти. Але безпосередньо в різець переходить дуже невелика її кількість, а основне – виноситься стружкою. Тому, хоча зі збільшенням швидкості різання V температура різання підвищується, це зростання весь час уповільнюється. Крім того, припущення про те, що змінюється пропорційно V, не зовсім правильно, так як у міру збільшення V складова сили різання P_z зменшується. Віднесення теплоти стружкою теж росте з підвищенням швидкості різання, і тому немає прямої залежності зміни температури різання від зміни V.

а	б
Рисунок 5.6 – Особливості впливу глибини різання (а) та подачі (б) на тепловідведення при різанні

Зі збільшенням глибини різання t (або ширини шару, що зрізається – b) сила різання, а, отже, потужність (P_z∙V) зростає майже прямо пропорційно, проте одночасно пропорційно збільшується активна довжина ріжучого леза і площа контакту (рис. 5.6 а), через яку зростає відведення тепла в тіло інструмента. Тому зі збільшенням t середня температура зростає незначно.

Зі збільшенням подачі S (товщини шару, що зрізається – а) сила різання зростає, хоча не так сильно, як при зростанні t, а, значить, і зростає потужність теплових джерел. Одночасно збільшується площа зони контакту різця зі стружкою. Однак, на відміну від випадку з глибиною різання, ця ділянка концентрується поблизу вершини – найбільш термічно навантаженої зони (рис. 5.6 б), відвід тепла від якої більш утруднений. Тому вплив подачі на температуру сильніший, ніж глибини різання, хоча швидкість росту відстає від швидкості росту S.

Рисунок 5.7 – Залежність температури різання від переднього кута інструменту

Вплив геометричних параметрів. Зі зміною переднього кута інструменту змінюються умови підведення і відведення теплоти, а отже, і температури різання. Зі збільшенням γ зменшується сила, а отже, і робота різання, а також кількість виділеної теплоти. Однак при цьому погіршуються умови її відведення, оскільки зменшується кут загострення β, тобто масивність головки різця. Тому існує деякий оптимальний кут γ_опт, при якому зменшуються сили різання і кількість теплоти, що виділяється. Зі збільшенням γ вище оптимального зменшується масивність головки різця, погіршуються умови тепловідведення, зростає температура різання (рис. 5.7). Аналогічно впливає на температуру також задній кут α.

Рисунок 5.8 – Залежність температури різання від головного кута у плані інструменту

Зі збільшенням головного кута у плані j зменшується кут при вершині інструмента e , що приводить до зменьшення маси головки різця і погіршенню тепловідводу. Одночасно зменшується співвідношення між шириною і товщиною зрізуваного шару b/a. Обидва ці фактори приводять до збільшення температури Θ (рис. 5.8).

Вплив мастильно-охолоджуючих рідин. Мастильно-охолоджуючі рідини не тільки сприяють зменшенню тепловиділення (за рахунок полегшення процесу стружкоутворення і зменшення тертя), але поглинають і відводять частину виділеного тепла, знижуючи тим самим температуру різання. При цьому чим вище теплоємність і теплопровідність мастильно-охолоджуючої рідини, тим вищий ефект охолодження. Так як у більшості випадків швидкість стружки перевищує швидкість поширення тепла у матеріалі оброблюваної заготовки, то, направляючи струмінь рідини на стружку, що відокремлюється від заготовки, можна домогтися зниження температури тільки її вільних відкритих шарів. Температура різання при цьому знижується незначно. Значно більший ефект можна одержати, якщо струмінь рідини буде омивати ділянки, близькі до контактних зон інструмента і тим самим підвищувати теплообмін між інструментом і навколишнім середовищем. Чим більше тепла перейде в інструмент або через нього у навколишнє середовище, тим нижче буде температура різання.

Максимальне зниження температури різання в порівнянні з обробкою всуху (на 50…70°С) забезпечує водний розчин NaJ, потім 1,5% емульсія ЕТ-2 (зниження температури на 40…50°С). Мастильно-охолоджувальна рідина на олійній основі знижує температуру найменшою мірою (20…30°С). Застосування всіх мастильно-охолоджувальних рідин звичайним поливом забезпечує більший ефект порівняно з тими ж мастильно-охолоджувальними рідинами, що подаються в зону різання в розпорошеному стані.

Застосування інструментальних матеріалів, що мають високу теплопровідність, також сприяє зниженню температури різання. Із більш низькою температурою різання працюють інструменти, що мають внутрішнє охолодження ріжучої частини.

 

5.3. Експериментальні методи дослідження теплових явищ

 

Експериментальні методи дослідження теплових процесів, що використовуються в даний час, в зоні різання надзвичайно різноманітні. З їх допомогою можна визначити кількість теплоти, що виділяється, і його розподіл між стружкою, деталлю і інструментом; температуру контактних майданчиків; температурні поля в зоні деформації та ріжучому клині інструмента. Розглянемо деякі з них.

Рисунок 5.9 – Схема калориметра

Калориметричний метод дозволяє визначити кількість тепла, що переходить у стружку, деталь та інструмент. На рис. 5.9 зображено схему постановки досліду при визначенні кількості тепла Q, що переходить при точінні в стружку, та її середню температуру Θ. Внизу, під передньою поверхнею різця 3, встановлений калориметр 2 з сіткою для збору стружки і ртутним термометром 1. Для забезпечення кращого попадання стружки в калориметр різання проводять при лівому обертанні шпинделя. Якщо позначити через: Θ_сум – температуру суміші (води зі стружкою в калориметрі після різання) в град; G_в – масу води в калориметрі в г; Θ_в - початкову температуру води в калориметрі в град; G – масу стружки в г; с – теплоємність стружки в кал, то середню температуру стружки Θ можна визначити за формулою Θ = Θ_сум + G_в(Θ_сум – Θ_в) / сG.

Рисунок 5.10 – Ізотерми на різці з мінералокераміки при точінні сталі 45 протягом 1 хв

Метод плавких плівок полягає в тому, що на контактні майданчики інструменту наноситься у вакуумі тонкий шар чистого металу з відомою температурою плавлення. Теплота, що виділяється при різанні, оплавляє плівку в області, де досягається температура її плавлення, і тим самим позначає відповідну ізотерму (рис. 5.10).

Метод термофарб принципово аналогічний методу плівок, але замість чистих металів використовуються спеціальні сполуки, що змінюють свій колір під дією температур.

Термоелектричний метод полягає в тому, що якщо нагріти місце спаю двох провідників з різних металів, залишаючи при цьому вільними кінці при нижчій температурі, на останніх виникає термо-електрорушійна сила (термо-ЕРС), яка залежить від різниці температур спаю і холодніших кінців. Замикаючи ланцюг через мілівольтметр, можна виміряти термо-ЕРС. Такий ланцюг називається термоелектричним. Цей метод є найбільш поширеним і поділяється на кілька різновидів.

Рисунок 5.11 – Схема вимірювання температури різання методом штучної термопари

Метод штучної термопари полягає в тому, що в інструменті просвердлюється отвір малого діаметра, що не доходить до будь-якої точки передньої або задньої поверхні приблизно на 0,2...0,5 мм, в яке вставляється ізольована термопара (рис. 5.11). Температура в точці зіткнення термопари та інструменту реєструється включеним у ланцюг термопари гальванометром.

Цей метод дає можливість визначити температуру різних точок на передній і задній поверхнях інструменту і на поверхні стружки (див. рис. 5.3), тобто знайти температурне поле.

Недоліками класичної схеми штучної термопари є складність пристрою і неможливість визначення найвищої температури, так як її вимірювання фактично проводиться не на поверхні контакту різця і стружки, а на деякому віддаленні від них.

Більш точні значення температур можна отримати, використовуючи ковзаючі (рис. 5.12) або біжучі термопари. Принципова схема біжучої термопари представлена на рис. 5.13.

Рисунок 5.12 – Схема ковзаючої термопари	Рисунок 5.13 – Схема біжучої термопари

Деталь 4 має гребні у формі гвинта зі стрічковим різьбленням. У них свердлять отвори діаметром 0,5...0,7 мм, в які вставляють захисні трубки 1 з двома ізольованими провідниками 2 і 3 термопари. Трубка з оброблюваного або близького до нього за властивостями матеріалу захищає провідники від передчасного замикання. Кінці провідників К1, К2, К3 і К4 підключені до входів записуючого осцилографа. При перерізанні різцем трубки провідники замикаються і на поверхні різання утворюється точкова термопара, яка рухається разом з прирізцевим шаром стружки по передній поверхні. Це дозволяє записати розподіл температури по довжині контакту. Ділянки провідників, що залишилися в заготовці, дозволяють визначити розповсюдження температури спочатку по задній поверхні інструменту, а потім температуру обробленої поверхні.

Рисунок 5.14 – Різець з плівковими штучними термопарами

Прагнення зменшити розміри провідників термопар і наблизити останні до контактних поверхонь інструмента привело до створення плівкових термопар. Різець зі штучною плівковою термопарою (рис. 5.14) складається із пластин 2 і 6, притиснутих одна до одної за допомогою накладки 7 у корпусі 1. На одну із пластин за допомогою трафарету напилене послідовно хімічно чисте залізо 3, шар ізоляції 4 і хімічно чистий нікель 5. До кінців напиленої термопари припаюються провідники, з'єднані з вимірювальним пристроєм. Плівкові термопари істотно знижують похибки виміру і перспективні для теплофізичних досліджень.

У методі напівштучної термопари один з її елементів (інструмент або деталь) природно присутній при механічній обробці, а другий не бере участі в цьому процесі, а вводиться в зону обробки з метою вимірювання температури (рис. 5.15).

а                                         б

Рисунок 5.15 – Схеми напівштучної термопари:  а – інструмент-провідник; б – деталь-провідник

Рисунок 5.16 – Схема напівштучної термопари стружка-провідник

Різновид методу напівштучної термопари наведено на рис. 5.16. У тілі розрізного різця 1 закладається ізольована від нього струмопровідна пластина 2, розташована під кутом μ до ріжучої кромки. Термо-ЕРС, що виникає між стружкою 3 і пластиною, реєструється вимірювальним пристроєм. Якщо при вільному точінні диска з оброблюваного матеріалу інструменту надати поздовжнє переміщення, можна записати закон розподілу температур на майданчику контакту різець – стружка.

Метод напівштучної термопари дає більш точні результати, ніж метод штучної, але, забезпечуючи вимірювання температур у даних точках поверхні, не дає можливості вивчити закономірності впливу елементів режиму різання на найвищу температуру процесу різання.

Рисунок 5.17 – Схема виміру температури різання методом природної термопари

Метод природної термопари. Схема вимірювання температури при точінні методом природної термопари зображена на рис. 5.17. Оброблювана заготовка 1 ізольована від патрона 3 і центру задньої бабки ебонітовими прокладками і пробкою 5.

Цілісний різець 2 з швидкорізальної сталі або твердого сплаву ізольований від різцетримача ебонітовими прокладками 5. Різець роблять цілісним для того, щоб у місці приварювання або припаювання ріжучої пластинки до корпусу різця не утворилися паразитні термопари. Деталь мідним провідником 10 з'єднана з гнучким валом 6, закріпленим в ебонітовій втулці, встановленій на кінці шпинделя верстата 4. Контактний наконечник 7 гнучкого вала опущений у ванну з ртуттю 8. Мілівольтметр 9 однією клемою з'єднаний з торцем різця, а другою – з ртутним струмознімачем. Замкнутий електричний ланцюг складається з заготовки - провідника - гнучкого валу - струмознімача - мілівольтметра - різця - заготовки. Заготовку ізолюють від верстата для усунення впливу паразитних термопар, що можуть виникнути між окремими деталями верстата. Однак роль паразитних термопар при високій температурі контактних поверхонь інструменту незначна, і за рахунок деякого зниження точності вимірювання установку можна спростити, відмовившись від ізоляції болванки, зберігши ізоляцію тільки різця.

Рисунок 5.18 – Схема установки для тарування природної термопари контактним способом

Великим недоліком методу природної термопари є необхідність тарувальних графіків термо-ЕРС – ºС для кожної комбінації оброблюваний та інструментальний матеріал. Ці графіки одержують за допомогою досить трудомістких експериментів на спеціальних установках, вид однієї з яких наведений на рис. 5.18. Стрижні 1 і 2 з оброблюваного та інструментального матеріалів із певною силою притискаються до нагрівача 3. Одночасно до нагрівача у тім же місці приварена контрольна термопара 4. Задаючи різну температуру нагрівання реостатом 6, порівнюють покази гальванометрів 8, підключеного до контрольної термопари 4, і 5 – до випробовуваної термопари. Ці дані є основою для тарувального графіка.

Метод безконтактного виміру температур являє собою реєстрацію теплового випромінювання окремих ділянок заготовки або інструмента у процесі оброблення. Він заснований на принципі акумуляції теплового випромінювання з ділянки нагрітої поверхні 1 за допомогою лінз 2 і направлення його на фотоелемент 3 (рис. 5.19). Під дією теплового випромінювання у фотоелементі виникає струм, що потім проходить через підсилювач 4 і реєструється вимірювальним пристроєм 5. Фотоелектричний метод дозволяє вимірювати температуру різних ділянок зони різання і визначати температурні поля передньої і задньої поверхні різця.

Рисунок 5.19 – Схема фотоелектричного пірометра для виміру температури інструмента, заготовки і стружки

Інфрачервоні промені із заданої точки зони різання, фокусуються об'єктивом на приймач інфрачервоного випромінювання. Прилад дозволяє вимірювати температуру у будь-якій точці від 150°С до 1200°С. Прилади такого типу можуть бути використані для вимірювання температури не тільки на площадці контакту, але і у будь-якій точці ріжучої частини різця. Це застосовується у тих випадках, коли інструментальний матеріал не прозорий для інфрачервоних променів, або коли збігаюча стружка закриває контактну площадку. Знаючи температуру в точках поза площадкою контакту і використовуючи відомі закономірності розподілу температур, можна теоретично розрахувати температуру у будь-якій точці ріжучого леза.

Ці прилади дозволяють вимірювати температуру в обмеженій зоні, практично у точці. Однак оптимізувати технологічний процес або оцінювати термічний режим об'єкта за температурою в окремій точці досить важко. У цих випадках бажано мати значно більший обсяг інформації, яку можна було б одержувати, маючи у своєму розпорядженні теплове зображення об'єкта. В останні роки для цієї мети все частіше використовують інфрачервону апаратуру, зокрема, тепловізори, що дозволяють із досить високою точністю фіксувати температурне поле тіла. Сучасний тепловізор – складний вимірювально-обчислювальний комплекс, призначений для безконтактного одночасного виміру температури всіх точок поверхні об'єкта. Як детектори випромінювання у тепловізорах застосовуються термоелектричні, силіконові, сірчані і піроелектричні термоперетворювачі. Детектори випромінювання перетворюють оптичний сигнал в електричний, котрий потім за допомогою комп'ютера підсилюється, оцифровуєтся і представляється у вигляді температурної карти інструмента на екрані дисплея. Сучасні тепловізори здатні реєструвати температурні поля з діапазоном температури 500...1500 °С і з похибкою вимірювання 1...2°С.

 

Питання для самоперевірки

 

1. Яку роль грають теплові явища у процесі різання?

2. Дайте поняття теплового балансу під час різання металів.

3. Розгляньте розподіл тепла, що утворився при різанні, між стружкою, деталлю і різальним інструментом.

4. Дайте поняття оптимальної температури різання під час точіння.

5. Як впливають властивості оброблюваного та інструментального матеріалів на величину та напрямок теплових потоків?

6. Як впливають на температуру різання властивості матеріалу, що обробляється, елементи режиму різання, геометричні параметри різця, мастильно-охолоджувальна рідина?

7. Які експериментальні методи використовуються для вимірювання температури різання?

8. Дайте характеристику основних методів експериментального вимірювання температури різання: калориметричного, методу плавких плівок, методу термофарб, термоелектричного, методу штучної термопари, методу напівштучної термопари, методу природної термопари, безконтактного методу.